Une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Département d'Astrophysique (DAp) du CEA-Paris Saclay vient pour la première fois de sonder en détail les enveloppes de poussière entourant les étoiles encore en cours de formation (ou proto-étoiles dites de classe 0), grâce au grand interféromètre de l'IRAM, NOEMA, situé sur le Plateau de Bure en France. A leur grande surprise, les chercheurs ont découvert la présence de grains de poussière dont la taille augmente en se rapprochant de la proto-étoile centrale. La présence de gros grains de poussière, déjà formés moins de 100 000 ans après le début de l’effondrement du nuage de gaz initial, est extrêmement inattendue. Ces grains sont la matière première à partir de laquelle se forment les planètes. Ces résultats pourraient donc suggérer que la chronologie de la formation des futures planètes doit être ré-examinée. Ces conclusions sont publiées dans la revue Astronomy & Astrophysics.
La poussière cosmique, matériau des planètes
Comment les grains de poussière présents dans le gaz interstellaire s'agrègent-ils pour constituer les briques de base des futures planètes ? Cette question reste encore un mystère car sonder les grandes enveloppes de gaz et de poussières entourant les étoiles en cours de formation n’est pas trivial. Cela nécessite en particulier des observations à haute résolution spatiale car même si ces enveloppes peuvent atteindre des dimensions jusqu'à 300 milliards de kilomètres (soit 2 000 fois la distance Terre-Soleil), à la distance des étoiles leur taille sur le ciel reste très petite. De plus la température de ce gaz étant très faible, il n'émet principalement que de la lumière au delà de l'infrarouge, dans la gamme dite (sub)milimétrique.
Pour détecter la poussière et en déduire ses propriétés physiques (taille des grains, température, composition), les chercheurs ont étudié un ensemble de 12 étoiles en formation du programme CALYPSO, grâce au grand interféromètre NOEMA, un réseau d'antennes placées au sommet du plateau de Bure, dans les Alpes.
Le grand interféromètre NOEMA du Plateau de Bure. Crédits : IRAM
Des grains de poussière plus gros que prévu
Les résultats montrent que l'indice β d'émissivité de la poussière - qui mesure l'efficacité avec laquelle la surface du grain émet son énergie thermique - est extrêmement bas dans toutes les enveloppes, et qu'il diminue à mesure que l'on va aux plus petits rayons. Ces faibles valeurs sont un signe de la présence de gros grains (> 100 microns) dans ces objets jeunes et indique une croissance régulière jusqu’au centre des disques.
La présence de gros grains dans les environnements d'étoiles très jeunes est cohérent avec les prédictions théoriques d'émission polarisée de la poussière produites par la même équipe, plus tôt cette année [1] . Des observations récentes réalisées avec l'interféromètre ALMA (ESO Chili) suggèrent également que des planètes pourraient déjà être formées dans les disques protoplanétaires âgés de seulement un million d’années. C'est un indice supplémentaire que la formation des grains à partir desquelles les planètes se forment pourrait se produire beaucoup plus tôt qu'on ne le pensait auparavant.
Le fait que la croissance du grain soit déjà réalisée moins de 100 000 ans après le début du processus de formation des étoiles est néanmoins extrêmement surprenant. Ces résultats pourraient être les prémices d’une révision majeure de la chronologie de la formation des planètes extrasolaires, et questionnent en tout cas notre compréhension actuelle de l'évolution des grains depuis les régions les plus diffuses du milieu interstellaire jusqu'aux centres des disques circumstellaires où se forment les planètes.
La proto-étoile IRAS 4A. A gauche : La région NGC1333 observée en infrarouge avec le satellite Spitzer/IRAC. Au milieu : Au coeur de cette région, image de la proto-étoile IRAS 4A observée en lumière millimétrique (1mm) au Plateau de Bure. A droite : Variation radiale de l'indice d'émissivité β de la poussière autour de IRAS 4A en fonction de la distance à la proto-étoile. L'indice d'émissivité décroit fortement en se rapprochant de la proto-étoile, indiquant la présence de grains plus gros. Crédit : DAp/CEA
Contact : Maud GALAMETZ
Publication :
"Low dust emissivities and radial variations in the envelopes of Class 0 protostars: a signature of early grain growth?"
M. Galametz, A. J. Maury, V. Valdivia, L. Testi, A. Belloche, Ph. André
Astronomy & Astrophysics (sous presse), 2019, voir 
l'article en PDF
Voir aussi sur la base de données Arxiv : https://arxiv.org/abs/1910.04652
Ce projet a reçu le financement du European Research Council (ERC) sous le programme de l’Union Européene Horizon 2020 pour la recherche et l’innovation (MagneticYSOs project, grant agreement N° 679937)
[1] "Indirect evidence of significant grain growth in young protostellar envelopes from polarized dust emission", Valvidia et al . (2019) MNRAS, Vol. 488, Issue 4, p.4897
Voir aussi : Des embryons de disques proto-planétaires beaucoup plus petits que prévu (28 février 2019)
Rédaction: Maud Galametz, J.M. Bonnet-Bidaud
• Structure et évolution de l'Univers › Planètes, formation et dynamique des étoiles, milieu interstellaire
